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铰链四杆机构根据连架杆是否为曲柄分为三种基本类型即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

1．曲柄摇杆机构及其应用

若铰链四杆机构的两连架杆之一为曲柄另一连架杆为摇杆则该机构称为曲柄摇杆机构。

曲柄摇杆机构能将曲柄的整周回转运动转换称摇杆的往复摆动；

曲柄摇杆机构也能使摇杆的摆动转换为曲柄的整周回转运动。

曲柄摇杆机构在生产中应用是很广泛的。

图3.2（a）所示为草地洒水器机构。

该机构曲柄1作整周匀速回转运动通过连杆2带动摇杆3和洒水器5（两者固联在一起）绕D点在一定角度内往复摆动达到在一定面积上洒水的目的。

图3.2（b）所示为雷达俯仰角度的摆动装置。

曲柄1缓缓地匀速转动通过连杆2带动摇杆3在一定角度范围内俯仰摆动。

（a）（b）

图3.2

2．双曲柄机构及其应用

当铰链四杆机构的两连架杆都是曲柄时该铰链四杆机构称为双曲柄机构。

如图3.3（a）所示为冲床机构运动简图。

图中杆123和4组成双曲柄机构。

当曲柄1（原动件）等速回转一周时曲柄3变速回转一周与滑块6固联的冲头作往复直线运动。

若双曲柄机构中两曲柄长度相等且平行连杆与机架长度也相等且平行则该机构称为平行双曲柄机构。

如图3.3（b）所示为平行双曲柄机构两曲柄回转方向相同角速度相等。

图3.4所示机车主动轮联动装置为平行双曲柄机构它增设了一个曲柄CD辅助构件以防止平行双曲柄机构ABEF变为反向双曲柄机构。

图3.3

3．双摇杆机构及其应用

当铰链四杆机构的两连架都是摇杆时则该铰链四杆机构称为双摇杆机构。

图3.5所示为飞机起落架机构的运动简图。

当飞机准备着陆时需要将着陆轮1从机翼4中推放出来则机构处于ABCD位置。

当飞机在正常飞行时为了减小空气阻力又需要将轮1收入机翼中则机构处于AD位置。

上述动作的完成是由原动件摇杆3通过连杆2、从动件摇杆5带动着陆轮1来实现的。

摇杆3和摇杆5均不能（也绝不允许）作整周转动从而确保着陆轮安全支撑飞机着陆。

图3.4图3.5

3.1.2铰链四杆

除曲柄摇杆机构双曲柄机构和双摇杆机构三种形式的铰链四杆机构外在实际生产应用中还广泛的采用其它型式的四杆机构但是这些都可以认为是通过改变某些构件的形状相对长度或选择不同构件为机架等方法来得到铰链四杆机构的一些其它演化型式以下介绍常用的一些演化形式。

图3.6

1．曲柄滑块机构

如图3.6（a）所示在曲柄摇杆机构ABCD中若使摇杆CD的长度变长则C点的轨迹mn将会越来越平直。

当CD的长度视为无穷大时则C点的轨迹mn将被视为是一条直线（图3.6（b））。

把CD杆改为一滑块（图3.6（c））则曲柄摇杆机构演化为如图3.6（d）、（e）所示的曲柄滑块机构。

如图3.6（d）所示机构中C点的运动轨迹mm与曲柄转动中心A处于同一直线上则该机构为对心曲柄滑块机构。

如图3.6（e）所示机构中C点运动轨迹mm的延长线与曲柄转动中心A之间存在一偏距e则称该机构为偏置曲柄滑块机构。

2．导杆机构

若以图3.6（d）所示的曲柄AB作为机架时则曲柄滑块机构演变为图3.7所示的导杆机构。

当BC杆回转时（通常BC杆为原动件）导杆AC一方面绕A点转动另一方面又相对滑块3移动。

导杆机构根据导杆AC能否作回转分为回转导杆机构和摆动导杆机构。

若构件BC长

度大于机架AB长度导杆能作回转则为回转导杆机构（图3.7（a））；

若构件BC长度小于机架AB长度导杆不能作回转则为摆动导杆机构（图3.7（b））。

导杆机构具有很好的传力性能（传动角始终等于）。

因此牛头刨床（图3.8）、插床和回转式油泵均采用了摆动导杆机构。

图3.7图3.8

3．定块机构

若以图3.6（d）所示曲柄滑块机构中的滑块作为机架时则得到图3.9（a）所示的定块机构。

BC杆绕C点摆动导杆AC在定块内往复运动。

图3.9（b）所示的抽水唧筒是它的应用实例。

图3.9

4．摇块机构

若以图3.6（d）所示曲柄滑块机构中的BC杆为机架则得到图3.10（a）所示的摇块机构。

当曲柄AB回转时滑块绕C点摇动同时导杆AC在滑块内作相对移动。

图3.10（b）所示的载重汽车自卸机构是它的应用实例当液压油推动活塞时缸体（摇块）绕C点摆动车厢AB绕B点转动从而翻转卸货。

图3.10

5．偏心轮机构

偏心轮机构是曲柄摇杆机构采用扩大回转副的方法得到的一类演化机构。

冲床、剪床、颚式破碎机等类型的机床具有载荷大、行程小的特点。

因此该类机床要求曲柄的长度很小但承受的载荷很大这样便造成加工制造的困难。

此时可以采用扩大回转副的方法来解决即把图3.11（a）中所示销轴B的半径扩大直到把销轴A完全包含在内（见图3.11（b））。

这样就把销轴B变为圆盘（称为偏心轮）其几何中心为B回转中心为A。

回转中心A与几何中心B之间的距离称为偏心距（等于曲柄AB长度）。

在工程设计中当偏心距很小时可以把偏心轮与轴做成一体得到偏心轴机构。

3.2平面四杆机构的一些基本特性

3.2.1铰链四杆机构曲柄存在的条件

曲柄的存在与否取决于铰链四杆机构中各构件的长度关系及机架的选择。

即要使连架杆能作整周转动而成为曲柄各杆长度必须满足一定的条件这就是所谓的铰链四杆机构曲柄存在的条件。

下面通过曲柄摇杆机构来讨论铰链四杆机构曲柄存在的条件。

图3.12图3.13

如图3.12所示的曲柄摇杆机构杆AB为曲柄杆BC为连杆杆CD为摇杆杆AD为机架其长度分别为、、、。

由于杆AB为曲柄所以必定存在两个虚线位置AD和AD。

根据三角形任意两边之和必大于第三边的定理得出

在三角形D中+≤+3.1

在三角形D中≤（-）+

≤（-）+

即+≤+3.2

+≤+3.3

将式3.1、3.2、3.3式两两相加得

3.4

根据以上分析可知在曲柄摇杆机构中如果连架杆AB为曲柄它必须是四杆中的最短杆且最短杆与最长杆长度之和应小于或等于其余两杆之和。

杆1能作整周回转则它相对杆2、杆4作整周回转；

杆3来回摆动则它相对杆2、杆4只能在一定角度内摆动。

根据相对运动原理若取最短杆1为机架如图3.13（a）所示该机构为双曲柄机构；

若取最短杆1的对边杆3为机架如图3.13（b）所示该机构为双摇杆机构。

因此铰链四杆机构曲柄存在的条件概括为：

（1）连架杆或机架中必有一个为最短杆；

（2）最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。

上述两条件必须同时满足否则机构中无曲柄存在。

根据曲柄存在的条件还可作如下推论：

1.当铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时可能有三种情况：

（1）若两连架杆之一是最短杆则该连架杆是曲柄此机构为曲柄摇杆机构；

（2）若机架是最短杆则两连架杆都是曲柄此机构为双曲柄机构；

（3）若最短杆的对边杆为机架则两连架杆都是摇杆此机构为双摇杆机构。

2.当铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和则连架杆不能成为曲柄无论哪杆为机架机构都是双摇杆机构。

3.2.2

图3.14所示为一曲柄摇杆机构当主动件曲柄AB在位置与连杆BC成一直线时从动件CD处于左极限位置。

曲柄AB以匀角速度顺时针转过角=到达位置时摇杆则由左极限位置摆到右极限位置摇杆摆角为；

而当曲柄顺时针再转过=时摇杆由位置摆回位置其摆角仍为。

由图3.14可以看到从动件往复摆角均为。

由于＞曲柄以匀角速度转过这两角度时对应时间＞所以摇杆CD由摆到的平均角速度=小于由摆到的平均角速度=。

显然摇杆往复摆动平均角速度一慢一快。

一般来说生产设备在慢速运动的行程中工作（称为工作行程）在快速运动的行程中返回（称为回程）的这种工作特性称为急回运动特性。

许多机械利用这种急回特性来缩短非生产时间提高效率。

回程的平均速度与工作行程的平均速度之比称为行程速比系数用表示即

=====3.5

上式中为摇杆（或机构）在两极限位置时曲柄的两个对应位置所夹的锐角称为极位夹角。

如果已知可以求得极位夹角

=3.6

极位夹角越大值越大急回运动特性也越显著。

当=1（=0）时机构将无急回运动特性。

图3.14

3.2.3压力角和传动角

如图3.15所示曲柄摇杆机构若忽略各杆质量和运动副中的摩擦影响则由连杆传递到摇杆上的作用力F的方向与BC线重合。

F力可分解为沿C点线速度方向的分力及沿摇杆DC线方向的分力。

很明显产生力矩带动摇杆运动的有效分力为而分力只能使运动副D和C中产生压力并使阻碍运动的摩擦力增大。

力F与C点线速度v之间所夹的锐角（从动件上所受力的方向与该点线速度方向所夹的锐角）称为压力角。

因有效力=Fcos,有害力=Fsin所以压力角越小有效分力愈大有害分力愈小机构的工作性能愈好。

压力角是判断机构工作性能的一个重要指标。

使用中为了度量方便常用压力角的余角来判断机构的工作性能角称为传动角。

因=-因此传动角愈大机构的工作性能愈好。

机构工作过程中传动角的大小是变化的为了保证机构具有良好的工作性能传动角不应小于许可值。

一般应使≥；

当传递功率较大时如鄂式破碎机等大功率机械可取≥。

其具体数值设计时可根据机构传递功率的大小查阅《机械工程设计手册》适当选取。

在曲柄摇杆机构中,最小传动角一般出现在曲柄AB与机架AD共线的两个位置。

其中较小的传动角为最小传动角。

（证明从略）

如图3.16所示的曲柄滑块机构曲柄为主动件将出现在图示位置。

如图3.7（b）所示的摆动导杆机构传动角始终等于。

图3.15图3.16

3.2.4“死”点位置

在图3.14所示的曲柄摇杆机构中若以摇杆3为原动件曲柄1为从动件则当摇杆摆到极限位置和时连杆2与曲柄1共线。

此时摇杆3通过连杆2作用给曲柄1的力将通过铰链中心A。

则该驱动力不会对A点产生力矩无论该驱动力有多大都不能使曲柄1转动。

机构所处的这种位置（==）称为“死点”位置。

需要明确的是当曲柄为主动件时不会出现“死点”位置只有当曲柄为从动件且与连杆共线时才会出现死点位置。

在机械设计中通常要利用飞轮构件自身的惯性施加一定外力或机构的错位排列等使机构顺利通过“死点”位置。

从而克服“死点”位置对机械传动的不利影响。

在某些夹紧机械装置中利用“死点”位置。

如图3.17所示的夹紧机构夹紧工件时BCD成一直线机构处于死点位置（CD为从动件）。

此时无论加紧力F多大都不能使工件松开。

要松开工件时必须改变BCD的直线位置后方能松开。

3.3平面四杆机构的设计

平面四杆机构设计的方法有图解法、实验法和解析法。

本节讨论用图解法设计四杆机构。

3.3.1按给定行程速比系数设计四杆机构

1.曲柄摇杆机构

已知：

摇杆长度摆角行程速比系数

要求：

设计曲柄摇杆机构

设计步骤：

（1）按给定行程速比系数根据式3.6求出极位夹角

=

（2）选择适当比例（m/mm）如图3.18所示选择固定铰链中心D的位置按摇杆长度和摆角作出摇杆两极限位置和。

（3）连接和点作的垂线。

（4）作交于点,使∠=-,则∠=。

（5）作△的外接圆L根据实际要求在该圆上选取一点A作为曲柄的回转中心（或任选一点）。

连接和因同一圆弧上的圆周角相等故∠=∠=。

（6）因在两极限位置处曲柄摇杆机构的曲柄与连杆共线故=-=+从而得曲柄=（-）/2连杆=（+）/2。

再以为圆心、为半径作圆交延长线于交于。

即得所设计曲柄摇杆机构（或）。

若曲柄的回转中心是在外接圆L上任选一点可得无数组解。

2.导杆机构

机架AD长度行程速比系数

设计一导杆机构

由图3.19可知：

导杆摆角等于导杆机构的极位夹角即=。

（2）选择适当比例（m/mm）如图3.19所示根据机架AD长度确定回转副中心A、D根据导杆摆角作出导杆的两个极限位置

（3）过A点做导杆任一极限位置的垂线（或）,则该线段的长度（或）为所求曲柄长度。

即得所设计的导杆机构。

图3.18图3.19

3.3.2

1.给定连杆两个预定位置设计四杆机构

如图3.20所示为工业用加热炉炉门开闭机构。

当炉门开启时炉门处于图示水平位置；

当炉门关闭时炉门处于图示竖直位置。

回转副（固定铰链）A、D安装在直线—上（附加条件）。

设计一铰链四杆机构

作图步骤：

对铰链四杆机构分析可知：

、点应在以A点为圆心为半径的圆弧上故A点必在的垂直平分线上；

同理D点必在的垂直平分线上。

（1）选择适当比例（m/mm）如图3.20所示按给定连杆长度及预定位置画出连杆的两个位置、。

（2）连接做的垂直平分线；

连接做的垂直平分线。

（3）垂直平分线、与直线—的交点分别为回转副（固定铰链）A、D。

、D分别为两连架杆的长度。

即得所设计的铰链四杆机构。

注意：

若要得到确定的解必须附加其它设计条件。

否则得到无数组解。

2.给定连杆三个预定位置设计四杆机构

连杆的三个预定位置、、。

设计方法与上述两个位置基本相同。

（1）选择适当比例（m/mm）如图3.21所示按给定连杆长度及预定位置画出连杆的三个预定位置、、。

（2）分别连接、分别做、的垂直平分线得两垂直平分线的交点A（回转副）；

分别连接、分别做、的垂直平分线得两垂直平分线的交点D（回转副）。

（3）连接A、DAD即为所设计的铰链四杆机构。

3.3.3给定两连架杆对应位置设计铰链四杆机构

此四杆机构设计的实质是确定回转副C的位置从而确定连杆BC和连架杆DC的长度。

为了确定C点的位置先对已有的铰链四杆机构进行分析。

从图3.22中可以看出当主动件AB从A转过角到达A时从动件CD则从D转过角到达D位置。

设想把机构的第二个位置AD刚化（即把各铰链焊死）绕D点反转角（此时D与D重合）。

反转后各个构件的相对位置没有改变点绕D点转到点相应的A点绕D点转到点。

此时四边形AD≌D。

由于刚性构件连杆BC长度是不会变化的因此=（=）。

显然点为、两点的回转中心即点必在、两点连线的垂直平分线上。

点在的哪一点上呢？

若已知两连架杆两组对应位置设计铰链四杆机构则有无穷多组解,须根据辅助条件确定；

若已知两连架杆三组对应位置设计铰链四杆机构则有唯一解。

注意实际作图时可以简化只须将四边形AD的对角线D绕D点反转角,便可找到点的位置。

现按给定两连架杆三组对应位置设计一铰链四杆机构

连架杆AB长度和机架AD长度连架杆AB和连架杆CD的三组对应预定位置A、A、A及D、D、D（DE为摇杆DC的标志线）对应摆角分别为、及、。

（1）如图3.23所示选择适当比例（m/mm）按给定已知条件作出连架杆AB和连架杆DE的三组对应预定位置。

（2）连接D使其绕D点反转角得点；

连接D使其绕D点反转角得点。

（3）连接、并分别作出它们的垂直平分线、。

两垂直平分线的交点就是所求C点的位置。

得铰链四杆机构AD。

一般C点不一定正好在摇杆标志线D上这时可把标志线D与点刚性联结成一个构件D。

图3.22图3.23

习题

1．铰链四杆机构有哪些基本型式？

基本型式是根据什么条件来分类的？

2．铰链四杆机构中有可能存在死点位置的机构有哪些？

它们存在死点位置的条件是什么？

3．什么是机构的急回运动特性？

行程速比系数的含义是什么？

在本章所讲的四杆机构中具有急回运动特性的机构有哪些？

存在急回运动特性的条件是什么？

4.在导杆机构中要演化为转动导杆机构和摆动导杆机构的条件是什么？

5.画出图3.24所示各机构的传动角和压力角。

图中标注箭头的构件是原动件。

图3.24

6.如图3.25所示,已知铰链四杆机构各构件的长度为=240mm,=600mm,=400mm,

=500

（1）当取杆4为机架时是否有曲柄存在？

（2）若各杆长度不变能否以选不同杆为机架的办法获得双曲柄机构和双摇杆机构？

如何获得？

图3.25图3.26

7．如图3.26所示铰链四杆机构,已知：

=50mm,=35mm,=30mm,AD为机架。

试问：

（1）若此机构为曲柄摇杆机构且AB为曲柄求的最大值。

（2）若此机构为双曲柄机构求的范围。

（3）若此机构为双摇杆机构求的范围。

8.设计一曲柄摇杆机构。

已知摇杆长度=80mm,摆角=行程速比系数=1且要求摇杆CD的一极限位置与机架的夹角∠CDA=。

求其余三杆的长度。

9．设计一曲柄滑块机构。

已知滑块的行程=50mm,偏距=16mm（导路在曲柄回转副下方）,行程速比系数=1.2。

求曲柄和连杆的长度。